基于ScAlN薄膜的高频PMUT阵列的设计与制造
Design and Fabrication of High-Frequency PMUT Array Based on an ScAlN Thin Film
塔桂峰 1刘建河 2李加东 1姚术涛 1刘浩杰 1苗斌 3商文玲 4陶金燕5
作者信息
- 1. 长春理工大学 机电工程学院,吉林 长春 130012;中国科学院 苏州纳米技术与纳米仿生研究所,江苏 苏州 215123;中国科学院 多功能材料与轻巧系统重点实验室,江苏 苏州 215123
- 2. 长春理工大学 机电工程学院,吉林 长春 130012
- 3. 中国科学院 苏州纳米技术与纳米仿生研究所,江苏 苏州 215123;中国科学院 多功能材料与轻巧系统重点实验室,江苏 苏州 215123
- 4. 中国科学院 苏州纳米技术与纳米仿生研究所,江苏 苏州 215123;中国科学院 多功能材料与轻巧系统重点实验室,江苏 苏州 215123;中国科学技术大学 纳米技术与纳米仿生学院,安徽 合肥 230026
- 5. 中国科学院 苏州纳米技术与纳米仿生研究所,江苏 苏州 215123;中国科学院 多功能材料与轻巧系统重点实验室,江苏 苏州 215123;上海大学 理学院,上海 200072
- 折叠
摘要
高频压电微机械超声换能器(PMUT)应用于各种场景,如指纹识别、无损检测、医疗成像.在当前非侵入式血管成像应用中,存在换能器使用锆钛酸铅压电陶瓷(PZT)及局限于1-D PMUT阵列的问题.设计并制作了一种基于ScAlN材料压电薄膜的2D-PMUT阵列.为了进一步得到阵列最佳的输出性能,降低栅瓣影响,设计了间距为波长的1/2(300 μm)的并联六边形阵列,增大了填充因子,降低了阻抗,提高了输出电流.采用SOI晶片作为PMUT的基本结构,设计了微机电系统(MEMS)工艺流程,并完成了晶片制作.通过扫描电子显微镜和聚焦离子束切割确定PMUT的形貌和结构尺寸,并且测得在水中的谐振频率为2.36 MHz.仿真与测试结果表明,测试误差为9.2%,位移灵敏度较好,有望满足非侵入式血管成像应用需求.
Abstract
High-frequency piezoelectric micromechanical ultrasonic transducers(PMUTs)are employed in vari-ous applications including fingerprint recognition,non-destructive testing,and medical imaging.In this study,the challenges associated with using lead zirconate titanate piezoelectric ceramics(PZT)in non-invasive vascular imaging and limitations of 1-D PMUT arrays are addressed by designing and fabricating a 2D PMUT array based on ScAlN piezoelectric film.To optimize output performance and minimize gate lobe influence,a parallel-hexagon array is de-signed with a spacing of half a wavelength(300 μm)to enhance the filling factor,reduce impedance,and improve output current.A silicon-on-insulator(SOI)wafer is utilized as the substrate for the PMUT,facilitating the MEMS process flow and wafer fabrication.The morphology and structure size of the PMUT are characterized using scan-ning electron microscopy and focused ion beam cutting.The measured resonant frequency in water is 2.36 MHz,with a simulation-test discrepancy of 9.2%and satisfactory displacement sensitivity,suggesting its suitability for non-invasive vascular imaging applications.
关键词
高频压电微机械超声换能器阵列(PMUT)/ScAlN薄膜/有限元仿真/器件制备/非侵入式血管成像Key words
high-frequency piezoelectric micromachined ultrasound transducer array(PMUT)/ScAlN thin film/FEM simulation/device preparation/non-invasive vascular imaging引用本文复制引用
基金项目
苏州市科技计划基金资助项目(SSD2023001)
国家自然基金资助项目(62074159)
国家重点研发计划基金资助项目(2021YFB3201600)
出版年
2024
NETL
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